Lectura para premedico 6042013

Figura 1.

Estructura química de un aminoácido. Estructura química en el plano y estructura espacial. Enantiómeros del aminoácido alanina.

presentes en las proteínas son de la serie L-y en su representación de Fischer poseen el grupo amino hacia la izquierda. La diferencia entre los aminoácidos viene dada por el resto -R, o cadena lateral, unida al carbono-α. Atendiendo a la naturaleza del grupo -R los aa s pueden clasificarse en: Polares sin carga. Siete son los α-aminoácidos cuyo resto -R es polar pero sin carga. La glicina posee la cadena más simple, un átomo de hidrógeno. La serina y la treonina son portadores de un grupo hidroxilo (-OH). La asparragina y la glutamina, poseen cadenas laterales portadoras de un grupo amida, y por hidrólisis dan lugar, respectivamente, a aspartato y glutamato, dos aminoácidos con carga negativa. La tirosina posee un grupo fenólico y la cisteína debe su polaridad a la presencia de un grupo tiólico (-SH).

Polares con carga negativa. Existen dos α-aminoácidos cuyo resto polar posee carga negativa a pH fisiológico, debida a la presencia de un grupo carboxilo (-COOH) , el ácido glutámico y el ácido aspártico.

Propiedades ácido-base de los aminoácidos y los péptidos

El pH del medio en el que se encuentre el aminoácido es esencial para determinar sus propiedades ácido-base, aspecto importante pues de ello dependen las propiedades químicas y la funcionalidad biológica de los péptidos y proteínas que forman.

Las propiedades ácido-base de un aminoácido vienen determinadas por los grupos protonables que posea. Un aminoácido puede actuar bien como ácido o como base (sustancias anfóteras), pudiendo tener hasta tres grupos con carácter ácido-base: el α-amino, el α-carboxilo y, en algunos casos, el resto -R. Lo importante es que estos grupos poseen un carácter ácido-base débil, lo que hace que, dependiendo del pH, el correspondiente equilibrio pueda desplazarse en un sentido o en otro (hacia la forma protonada o hacia la desprotonada, Figura 3).

La expresión que regula la proporción entre las formas protonada y desprotonada es:

Donde DP es la forma protonada y P es la forma desprotonada. Veamos como afecta el pH a la valina. La val posee sólo dos grupos protonables, el α-amino y el αcarboxilo. A pH fisiológico la valina presentaría la siguiente estructura:

Tomemos los grupos por separado y veamos como les afecta el pH. El grupo αamino presentaría dos formas, una protonada (P) y cargada positivamente (-NH 3 + ), y otra desprotonada (DP) y sin carga (-NH 2 ), según el siguiente equilibrio:

Ionización de un L-aminoácido.

si el pH aumenta, el equilibrio se desplaza hacia la derecha (dominando la forma con carga 0) y si disminuye lo hará hacia la izquierda (dominando la forma con carga +1).

Con el grupo α-carboxilo ocurriría algo similar:

En función del pH, la proporción de forma protonada (carga 0) o forma desprotonada (carga -1) variará, respetando siempre la constante de ionización del grupo en cuestión si la temperatura se mantiene constante.

Supongamos que estamos ahora a pH 1; en estas condiciones de elevada concentración de protones en el medio ambos equilibrios estarían desplazados en un 100 % hacia las formas protonadas. Si aumentamos el pH los equilibrios comenzarían a desplazarse hacia la derecha hasta llegar a un pH muy básico, momento en el que las formas dominantes (al 100 %) serían las desprotonadas.

Pero, ¿qué ocurre a pHs intermedios?. Para ello debemos tener en cuenta la Ka de cada equilibrio, o mejor dicho su pKa (que sería el -logKa). El grupo α-amino de la valina tiene un pK de 8, y esto quiere decir que a pH 8 el 50 % de los grupos amino estarán protonados (si tenemos 100 moléculas de valina, 50 tendrán el grupo amino protonado y 50 lo tendrán desprotonado, al menos teóricamente, según se desprende de la constante de ionización). Por su parte el grupo α-carboxilo de la valina, (pK = 2), estará protonado al 50 % cuando el pH del medio sea 2.

En general se asumen las siguientes consideraciones, para determinar el porcentaje de protonación de un grupo ionizable en un aminoácido:

·

Si el pH < pK-1 el grupo esta al 100 % protonado · Si el pH > pK+1 el grupo está al 100 % desprotonado · Si el pH = pK el grupo está al 50 % protonado

Tomemos ahora un aminoácido con tres grupos ionizables, el ácido glutámico:

que posee el grupo α-amino, el α-carboxilo y el γ-carboxilo. Los tres grupos ionizables darán lugar a tres equilibrios ácido-base distintos, cada uno con su correspondiente pKa (2, 4 y 8 respectivamente). Para ver como afecta el pH a la carga de cada grupo vamos a realizar la siguiente tabla, en la que ordenamos (de menor a mayor pK) los grupos protonables y sus correspondientes valores de carga en función del pH: GRUPO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

α-carboxilo

1) a pH= 1, el pH es inferior en una unidad al pK del grupo α-COOH, el cuál estará protonado al 100 %, luego su carga será 0; y lo mismo le ocurrirá al grupo γ-COOH, protonado al 100 % y con carga 0. Por su parte, el grupo αamino también estará protonado, aunque en este caso la carga del grupo es +1.

2) a pH= 2, se produce coincidencia del pH con el pK del α-COOH, por lo que estará al 50 % protonado. Luego la carga será -0,5 ; este pH es aún dos unidades inferior al pK del grupo γ-COOH, que seguirá protonado (0), como también le ocurriría al grupo α-amino (+1). La carga total del glutámico sería 0,5.

3) a pH= 3, se ha superado en una unidad el pKa del α-COOH, luego estará desprotonado al 100 % y su carga será -1 para valores superiores de pH. Los otros dos grupos siguen estando protonados al 100 % (0 y +1, respectivamente). Y la carga total será cero.

4) a pH= 4, el pH coincide con el pKa del grupo γ-COOH y estará protonado en un 50% (carga -0,5). El α-COOH seguirá desprotonado (0) y el α-amino protonado (+1). La carga total será ahora -0,5. 5) a pH=5 el grupo γ-COOH estará al 100 % desprotonado y el resto de grupos seguirá igual, hasta llegar a pH= 8, donde el α-amino estará desprotonado al 50 % (0,5) , grupo que se desprotonará al 100 % a partir de un pH= 9.

Como se puede apreciar en la tabla, la carga total del aminoácido depende del pH de la disolución en que se encuentre.

Existe un pH al cual la carga neta del aminoácido es cero (si lo colocamos en un campo eléctrico no se desplazará hacia ninguno de los polos). El pH al cuál un aminoácido posee carga neta cero recibe el nombre de punto isoeléctrico (pI), que es la media aritmética de los valores de pK 1 y pK 2 que delimitan la forma con carga cero.

En la siguiente tabla pueden localizarse los aminoácidos que, al igual que el ácido glutámico, poseen grupos -R protonables.

El enlace peptídico

Los aminoácidos se encuentran unidos en los péptidos y las proteínas mediante un

enlace amida (-CO-NH-):

Este enlace se forma por reacción entre el grupo α-COOH de un aminoácido y el αamino del siguiente (con pérdida de una molécula de agua) y recibe el nombre de enlace peptídico. Entre los años 1930-1940, Pauling y Corey, mediante el estudio de Rayos X de cristales de aminoácidos, dipéptidos y tripétidos, dilucidaron la estructura tridimensional del enlace peptídico (Figura 4). Así, descubrieron que la unión C-N del enlace peptídico era más corta que en la mayor parte de los demás enlaces C-N y llegaron a la conclusión de que el enlace debía tener algún carácter de doble enlace, por la aparición de dos formas resonantes:

Luego dedujeron que los 4 átomos que rodeaban al enlace peptídico C-N (O, Cα, Cα, H) estaban situados en el mismo plano, de tal manera que el oxígeno del grupo carbonilo y el hidrógeno del N-H estarían en posición trans. Esta ordenación es rígida, y es el resultado de la estabilización por resonancia de las formas anteriormente citadas.

Partiendo de estos dos hechos, puede describirse el armazón de una cadena polipeptídica como constituido por una serie de planos, con posibilidad de giro en los Cα. De esta forma podemos escribir la estructura de un péptido como una sucesión de planos en la que los grupos -R se van alternando (Figura 5).

Figura 5.

Estructura espacial de un péptido.

Secuencia ordenada de los planos de enlace peptídico en el espacio. Los grupos R se alternan por encima y debajo del plano general de la molécula.